基于GIS的森林植被碳储量、碳密度分布

赵娣+谢世友

摘要：结合酉阳林地资料和实地调查数据，利用生物量-蓄积量转化模型，运用ArcGIS9.3软件，对酉阳林地植被碳储量和碳密度分布进行研究，对县域内石漠化和非石漠化、碳酸盐岩和非碳酸盐岩的碳储量和碳密度的差异给出精确的数据，并对酉阳森林经营管理提出建议。

关键词：植被；碳储量；碳密度；GIS；酉阳县

中图分类号：S718.5 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）03-0553-05

随着全球日益变暖，碳的研究成为生态学和环境学的前沿领域[1]。森林作为陆地碳库的主体，储存了陆地生物圈有机碳地上部分的76%～98%[2，3]，森林碳储量既是评价森林生态系统结构和功能以及森林质量的重要指标，也是评估森林生态系统碳平衡的基础[4]。研究森林植被碳储量和碳密度的时空格局及其影响因子和作用机制，对于估算和预测不同类型生态系统中植被的碳储存能力，判定碳源、碳汇，制定缓解全球气候变化的合理政策措施具有重要意义，同时可以为以减排增汇为目标的森林生态系统碳库管理和为分区采取不同管理措施提供科学依据[5]。但迄今为止，关于碳储量和碳密度的研究主要集中在量上，对碳储量和碳密度的区域性分布特征研究较少[6]，而对重庆地区，特别是重庆县域植被碳储量和碳密度及分布的研究很有限[7]，这不利于因地制宜制定森林植被管理措施。另一方面，目前喀斯特地区碳的“源”和“汇”问题在国际上引起很大争议，而酉阳土家族苗族自治县喀斯特地貌广布，鉴于森林在全球碳循环尤其是在探求未知碳汇中有着重要的意义[8]，因此本研究一方面可为酉阳森林植被经营管理提供依据，另一方面也可为喀斯特地区碳汇研究提供参考。

1 研究区概况

酉阳县位于重庆市东南（108°18′25"-109°19′20"E，28°19′28"-29°24′18"N），西距重庆市区345km。地处渝、鄂、湘、黔四省（市）的结合部。辖包括县城桃花源镇在内的39个乡镇和2个国有林场（青华林场和伏龙山林场）。地势中部高、东西两侧低。地形复杂，相对高差大（最高海拔1 895 m，最低海拔263 m，高差达1 632 m）。可溶性岩石广布，喀斯特地貌强烈发育。属于中亚热带湿润季风气候区，四季分明，温和湿润，雨量充沛，云雾多，日照少。境内森林土壤属山地湿润亚热带森林土壤，土层较薄，呈酸性或微酸性。森林植被区系以亚热带中部成分为主。2012年酉阳森林覆盖率达51.6%，是重庆及西南林区的重要组成部分。

2 研究数据与研究方法

基础资料有1∶10 000的酉阳矢量化地形图，1∶100 000的酉阳地质图，1∶100 000酉阳石漠化分布图，2.5 m分辨率的卫星遥感影像图。2012年酉阳林地落界数据，酉阳森林资源二类调查小班表等。

森林资源分布调查是根据建立的解译标志在室内利用遥感影像图在ArcGIS 9.3上完成林地和非林地的小班区划，再实地进行核实和调整。地形图矢量化是在ArcGIS 9.3上在空间配准、确定坐标系后按照国家行业标准（LY/T1662.2-2008）要求分层进行。蓄积量调查是实测调查，以总体为单元，进行类型中心抽样。蓄积量计算统一使用部颁标准LY208-1977中二元立木材积表，分树种计算各径阶蓄积量，各树种蓄积量相加得小班蓄积量。

森林植被碳储量评估以乔木林、疏林地、灌木林、竹林为研究对象。其中竹林碳储量的计算以全国竹林平均胸径计算，单株生物量乘以总株数得到生物量进而得到碳储量，疏林地碳储量以立木生物量乘以含碳率得到。在酉阳，经过野外调查，竹林和疏林地的面积很小，因此本研究只计算乔木层和灌木层碳储量及碳密度。

乔木层碳储量是由生物量乘以含碳率得到。生物量的计算主要有IPCC法、生物量转换因子连续函数法、双曲线模型估算法和回归模型法[9]，对不同地区不同森林类型或树种应根据当地的自然生态环境选择适合的研究方法[10]。根据文献资料[11-13]，在实测数据的基础上，运用回归模型法，采用本地化的生物量分配系数及其他计算参数计算乔木层生物量。灌木层碳储量根据重庆市灌木层碳密度13.52 t/hm2[14]乘以面积得到。

3 结果与分析

3.1 乔木层碳储量和碳密度空间分布特征

结合森林资源分布调查和林地落界成果，计算各小班碳储量后除以小班面积得到酉阳乔木层小班碳密度分布图（图1）。从图1可以看出，酉阳各区域碳密度差异较大，酉北碳密度最高（以碳密度25～50 t/hm2的斑块为主），碳密度最高的斑块也分布在酉北，其次是酉西和酉东，酉南碳密度相对较低（以碳密度<10 t/hm2的斑块为主）。

运用ArcGIS 9.3，根据矢量化的酉阳地形图提取各小班海拔幅度、坡度、坡位、坡向，根据研究区海拔特点，将海拔分为4个等级（<500 m，500～1 000 m，1 000～1 500 m，>1 500 m），按坡度大小分为平（<6°）、缓（6°～15°）、斜（16°～25°）、陡（26°～35°）、急（36°～45°）和险（>45°）6个等级，坡位分为上、下、中、平地、脊和谷，坡向分为阴坡（0°～45°和315°～360°）、半阴坡（45°～135°）、半阳坡（135°～225°）、阳坡（225°～315°）和无坡向。将数据与林地落界图链接，提取不同海拔、坡度、坡位和坡向的面积和碳储量，用碳储量除以相应的面积，得到不同海拔、坡度、坡位和坡向的乔木层碳密度（表1和表2）。

碳储量随地貌分布为丘陵最多，是中山区的2倍多，而亚高山和高山区碳储量极少。这与酉阳地貌有关，酉阳植被70%分布在丘陵区。碳储量在海拔500～1 000 m处最多，在海拔>1 500 m处最少，在斜坡和陡坡处多、平地最少，在坡位为中的地区最多、平地最少，在阳坡多而阴坡和无坡向少。

乔木层碳密度随地貌变化表现为中山和亚高山较大，丘陵和高山碳密度较小。从乔木层随海拔变化 分布情况也可得出相同的结果，即海拔在500～1 000 m和1 000～1 500 m的碳密度较大，海拔<500 m和海拔>1 500 m的碳密度较小。乔木层碳密度随坡度的变化基本表现为坡度越大碳密度越大。随坡位的变化是脊>中>上>谷>下>平地。随坡向的变化是阴坡>半阴坡>半阳坡>阳坡>无坡向，有差异但差距不大。

3.2 乔木层碳储量和碳密度的地质区域分布特征

把酉阳林地落界图分别和酉阳地质分布图、石漠化分布图在ArcGIS 9.3中联合，得到酉阳碳酸盐岩和非碳酸盐岩分布区乔木层碳储量和碳密度以及酉阳石漠化区和非石漠化区乔木层碳储量和碳密度（表3）。碳酸盐岩区乔木层碳储量为3 464.2×103 t，碳密度为17.71 t/hm2，非碳酸盐岩区乔木层碳储量为1 980.2×103 t，碳密度为19.17 t/hm2。石漠化区乔木层碳储量为1 809.8×103 t，碳密度为24.45 t/hm2，非石漠化区乔木层碳储量为3 634.6×103 t，碳密度为25.70 t/hm2。

3.3 灌木层碳储量分布特征

将从地形图提取得到的小班海拔、坡度、坡位和坡向数据与灌木层碳储量分布图在ArcGIS 9.3中链接，将酉阳石漠化分布图和酉阳地质图与灌木层碳储量分别联合，得到灌木层不同海拔、坡度、坡位和坡向的碳储量，以及碳酸盐岩区和非碳酸盐岩区、石漠化区和非石漠化区碳储量（表4）。

灌木层碳储量总量为1 707.46×103t，灌木层碳储量随海拔变化为（500～1 000 m）>（1 000～1 500 m）>（<500 m）>（>1 500 m），随坡度变化为陡>斜>急>缓>险>平，随坡位变化为中>上>下>脊>谷>平地，随坡向变化为阳坡>半阳坡>半阴坡>阴坡>无坡向，碳酸盐岩分布区>非碳酸盐岩分布区，非石漠化分布区>石漠化分布区。

4 讨论

4.1 酉阳碳密度与其他区域比较

本研究计算出的酉阳乔木层碳密度为25.67 t/hm2，与全国其他地方相比，比东北林业大省吉林和黑龙江的碳密度低（吉林省乔木层碳密度为54.352 t/hm2 [15]，黑龙江省为33.44 t/hm2[16]），但比辽宁省碳密度21.8 t/hm2[17]高，比中部平原地区的河南省碳密度23.64 t/hm2[18]高，比华南的广东省碳密度22.60 t/hm2[19]高，可以看出在我国西南地区乔木层碳密度处于相对较高水平；与西南地区其他地方相比，稍低于四川凉山州森林植被碳密度（27.62 t/hm2）[20]，但明显低于重庆缙云山碳密度（50.45 t/hm2）[21]和四川西北高山峡谷区碳密度（50.52 t/hm2）[13]；这一方面是酉阳的人口密度、人类社会经济活动显著高于国家自然保护区的缙云山和四川的高山峡谷区，而人口密度与碳密度呈负相关，造成酉阳碳密度较低，另一方面国际学术界达成的共识是植物多样性越小，碳储量越小，而酉阳丘陵、中山地貌占绝对优势，生物量多样性小，因此碳密度较低；与亚热带其他地区相比，低于汪业勖等[22]估算的亚热带常绿阔叶林区的碳密度（26.29 t/hm2），低于徐州碳密度（37.218 5 t/hm2）[23]，低于杭州碳密度（30.25 t/hm2）[24]，低于南京碳密度（38.69 t/hm2）[25]，这主要是因为酉阳碳酸盐岩广布，喀斯特面积大，而喀斯特地区生物量低于水热条件相似的亚热带人工林与原生亚热带中山常绿阔叶林，属于低生物量森林，同时酉阳土层浅薄，石砾含量高，林分质量低，所以酉阳比同处于亚热带的其他地区碳密度低。

4.2 酉阳碳密度分布分析

酉阳乔木层碳密度地区分布为酉北高，因为酉北是酉阳海拔最高地区，经济发展水平相对其他地区较低，人类活动对森林植被的影响较小，植被生物量大，碳密度大。酉西是酉阳国有林场（青华林场）的分布区，植被质量较好，碳密度较大。而酉东碳密度低，因为酉东人工林分布面积大，而人工林普遍存在树种单一、结构和功能差、病虫害频繁发生，固碳能力低。

酉阳乔木层碳密度随海拔变化表现为在1 500 m以下随海拔升高而增加，但高于1 500 m处碳密度又急剧降低。在低海拔区碳密度随海拔升高而增加这与人类活动随海拔升高而减少有关，而高海拔区碳密度又急剧降低这是因为海拔高的地区交通不便，森林可及度低，林分以成、过熟林为主，固碳能力低，碳密度低。乔木层碳密度随坡度变化表现为坡度越大碳密度越大，这主要是因为坡度越大人类活动越小，碳密度越大。李娜[26]、王效科等[27]、徐新良等[28]认为我国森林植被碳密度首先取决于人类活动干扰的程度。

酉阳乔木层碳密度随坡度变化基本表现为随坡度的增大而增加，这是因为随坡度的增大，受人为干扰的机会和程度越小，植被多保持自然状态，生物量大，碳密度大。这和黄从德等[5]的研究结果相同。乔木层碳密度随坡向变化表现为由阴坡向阳坡减小，但随坡向变化幅度没有随海拔变化幅度大，各坡向的差异不明显。目前有的报道中对碳密度的坡度分布特征的研究较少，仅见的有四川地区碳密度随坡向变化表现为半阴坡>半阳坡>阳坡>阴坡>平地[26]，缙云山植被碳密度为半阴坡和半阳坡大于阳坡和阴坡[21]，可见不同地区碳密度的坡向差异不同。而灌木层碳储量随坡向变化为阳坡大、阴坡小，与乔木层碳密度没有相关性。森林碳储量、碳密度与坡向的关系主要是与森林植被面积及分布有关，与各坡向分布的森林植被类型及森林植被对光照及热量需求有关[6]。

4.3 酉阳森林经营建议

位于乌江、阿蓬江上游的酉阳，其森林生态系统不仅有涵养水源、保持水土的作用，而且对地区气候的调节、生态环境的改善有重要作用，而对碳储量和碳密度的研究可为森林生态系统的管理提供科学依据[5]。本研究基于RS、GIS，通过实地调查数据和林地落界及森林资源二类调查数据，所得的碳储量、碳密度结果具有可靠性。据此为酉阳森林植被的经营管理提出一些建议。

造林对增加陆地碳汇有重要作用[29]，但由于喀斯特地区生态环境的特殊性，树种应适宜，另外考虑到病虫害对树种的影响等，因此选择生长速率快、寿命长的树种造林是提高森林固碳量的最有效途径。在酉阳官清乡进行野外调查时发现，2004年进行的退耕还林主要树种是桤木，但2011年大部分树木或枯死或受病虫害影响，林木质量低下，而2008年人工林树种选择的是杉木，经过3年，成活率很高，长势良好，可见应因地制宜选择树种。酉东乡镇应选择适宜的树种建设人工林。加强森林管理是目前土地资源利用情况下增加碳储量的有效途径，已有很多研究结果得出加强森林经营管理措施有助于提高森林碳密度，不同的经营管理方式对森林碳储量的影响不一，不同的林网密度和林木栽培周期也会对森林碳储量产生影响[6]，例如马尾松人工林乔木层碳储量随林分密度的增大而增加，加强森林管理可提高林分质量，增加碳储量及碳密度。酉南乡镇针对森林碳密度低的现状应加强森林管理，提高碳密度。对酉北和酉西应进行成、过熟林的更替，以提高植被碳储量。针对碳分布不均，应对酉阳各乡镇结合空间特征有针对性地进行森林经营，以平衡各区域森林植被碳储量。

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造林对增加陆地碳汇有重要作用[29]，但由于喀斯特地区生态环境的特殊性，树种应适宜，另外考虑到病虫害对树种的影响等，因此选择生长速率快、寿命长的树种造林是提高森林固碳量的最有效途径。在酉阳官清乡进行野外调查时发现，2004年进行的退耕还林主要树种是桤木，但2011年大部分树木或枯死或受病虫害影响，林木质量低下，而2008年人工林树种选择的是杉木，经过3年，成活率很高，长势良好，可见应因地制宜选择树种。酉东乡镇应选择适宜的树种建设人工林。加强森林管理是目前土地资源利用情况下增加碳储量的有效途径，已有很多研究结果得出加强森林经营管理措施有助于提高森林碳密度，不同的经营管理方式对森林碳储量的影响不一，不同的林网密度和林木栽培周期也会对森林碳储量产生影响[6]，例如马尾松人工林乔木层碳储量随林分密度的增大而增加，加强森林管理可提高林分质量，增加碳储量及碳密度。酉南乡镇针对森林碳密度低的现状应加强森林管理，提高碳密度。对酉北和酉西应进行成、过熟林的更替，以提高植被碳储量。针对碳分布不均，应对酉阳各乡镇结合空间特征有针对性地进行森林经营，以平衡各区域森林植被碳储量。

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